JP7679366B2 - Manufacturing carbon fibers with high mechanical properties - Google Patents
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Description
本発明は、炭素繊維の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing carbon fibers.
炭素繊維(CF又は黒鉛繊維)は、典型的には約5~10μmの直径を有する糸又はフィラメントの炭素質材料であり、少なくとも50重量%の炭素原子で主に構成される。炭素繊維は、高い剛性、高い引張強度、低い重量、高い耐薬品性、高温耐性及び低い熱膨張を含む多くの利点のために、航空宇宙、土木工学、軍事、モータースポーツ及びスポーツ用品に広く使用されている。 Carbon fiber (CF or graphite fiber) is a carbonaceous material, typically a thread or filament with a diameter of about 5-10 μm, composed primarily of at least 50% carbon atoms by weight. Carbon fiber is widely used in aerospace, civil engineering, military, motor sports and sporting goods due to its many advantages, including high stiffness, high tensile strength, low weight, high chemical resistance, high temperature resistance and low thermal expansion.
炭素繊維は、典型的には、ポリアクリロニトリル(PAN)の使用又はピッチからのいずれかの2つの主な方法を使用して製造される。ピッチは、植物、原油及び石炭などの炭素系材料の蒸留の生成物である。ピッチは等方性であるが、熱処理により異方性とすることができる。しかしながら、炭素繊維製造において最も重要な材料は、フィラメントの破断を伴わずに異方性メソフェーズピッチを溶融紡糸する能力に起因するメソフェーズピッチである。メソフェーズピッチはサーモトロピック結晶を形成し、これによりピッチが組織化され、張力を使用せずに直鎖を形成することが可能になる。 Carbon fiber is typically produced using two main methods, either from the use of polyacrylonitrile (PAN) or from pitch. Pitch is the product of the distillation of carbon-based materials such as plants, crude oil, and coal. Pitch is isotropic, but can be made anisotropic by heat treatment. However, the most important material in carbon fiber production is mesophase pitch due to the ability to melt spin anisotropic mesophase pitch without filament breakage. Mesophase pitch forms thermotropic crystals that allow the pitch to organize and form straight chains without the use of tension.
メソフェーズピッチは等方性ピッチを高分子量に重合することによって作られる。PAN炭素繊維を超えるピッチ系炭素繊維の製造における利点は、ピッチ炭素繊維がすべての加工段階で繊維に一定の張力を必要としないことである。 Mesophase pitch is made by polymerizing isotropic pitch to high molecular weights. The advantage in the production of pitch-based carbon fibers over PAN carbon fibers is that pitch carbon fibers do not require constant tension on the fiber at all processing stages.
ピッチ系炭素繊維は、より粒状であるPAN系炭素繊維とは対照的に、結晶構造においてよりシート状であることが見出されている。ピッチからの炭素繊維の製造には、1)溶融紡糸、2)酸化、3)炭化、4)黒鉛化、5)表面処理及び6)サイジングという6つの主なステップがある。 Pitch-based carbon fibers are found to be more sheet-like in crystal structure, in contrast to PAN-based carbon fibers, which are more granular. There are six main steps in the production of carbon fibers from pitch: 1) melt spinning, 2) oxidation, 3) carbonization, 4) graphitization, 5) surface treatment, and 6) sizing.
溶融紡糸は、溶融物の急冷によって繊維を形成する方法である。冷却速度が速いため、メソフェーズピッチを高度に配向させることができる。メソフェーズピッチは溶融紡糸することができるが、その流れ特性のために、工程を確実に実施することは困難であり得る。メソフェーズピッチの粘度は、他の溶融紡糸材料よりも温度に敏感である。したがって、ピッチ系繊維の作製中、温度及び熱伝達率は慎重に制御されなければならない。 Melt spinning is a method of forming fibers by rapid cooling of the melt. The rapid cooling rate allows mesophase pitch to become highly oriented. Mesophase pitch can be melt spun, but due to its flow properties, the process can be difficult to carry out reliably. The viscosity of mesophase pitch is more sensitive to temperature than other melt-spun materials. Therefore, temperature and heat transfer rates must be carefully controlled during the production of pitch-based fibers.
酸化は、繊維が溶融又は融合しない点まで分子を架橋するために使用される。これは、通常、空気中、約200℃~約400℃で数時間実施される。このステップは、炭化及び黒鉛化の高温で安定な繊維を製造するため、極めて重要である。架橋を行わない場合、繊維は、これらの工程ステップにおいて損なわれるであろう。 Oxidation is used to crosslink the molecules to the point where the fiber will not melt or fuse. This is usually carried out in air at about 200°C to about 400°C for several hours. This step is crucial to producing fibers that are stable at the high temperatures of carbonization and graphitization. Without crosslinking, the fiber would be damaged during these process steps.
炭化は、不活性酸素を含まない雰囲気中で繊維を高温、典型的には約1000℃~約2000℃に加熱することによって達成される。このステップは、繊維から不純物(例えば、水素、酸素、窒素)の大部分を除去し、大部分が六角形の環に主に結晶性炭素を残す。 Carbonization is accomplished by heating the fibers to high temperatures, typically about 1000°C to about 2000°C, in an inert, oxygen-free atmosphere. This step removes most of the impurities (e.g., hydrogen, oxygen, nitrogen) from the fibers, leaving primarily crystalline carbon in mostly hexagonal rings.
黒鉛化は、主繊維軸に沿った結晶領域の整列及び配向を改善するために、高温で繊維を処理する工程である。結晶領域を主繊維軸に沿って整列、積層、及び配向させることにより、炭素繊維の全体的な強度及び剛性が増加する。より高い弾性率及びより高い炭素含有量を有する炭素繊維を得るために、黒鉛化は、3000℃までのより高い温度で実施される。 Graphitization is a process in which fibers are treated at high temperatures to improve the alignment and orientation of the crystalline regions along the primary fiber axis. By aligning, stacking, and orienting the crystalline regions along the primary fiber axis, the overall strength and stiffness of the carbon fiber is increased. To obtain carbon fibers with a higher modulus and higher carbon content, graphitization is carried out at higher temperatures, up to 3000°C.
複合材料を製造するための結合マトリックスへの炭素繊維の接着性を改善するために、表面処理を適用することができる。最後に、炭素繊維のサイジングは、個々のフィラメントの破断を防止し、非常に微細な炭素フィラメントの取り扱いを改善し、成形工程との適合性を提供するために、表面処理された炭素繊維をポリマーでコーティングすることを含む。 Surface treatments can be applied to improve adhesion of carbon fibers to a binding matrix for producing composite materials. Finally, carbon fiber sizing involves coating surface-treated carbon fibers with polymers to prevent breakage of individual filaments, improve handling of very fine carbon filaments, and provide compatibility with molding processes.
炭素繊維の高い強度は、上記の6つの主要工程に起因し得る。高レベルの結晶領域は、繊維が大きな応力に耐えることを可能にする。これらの結晶領域は、溶融紡糸工程によって形成され、結晶は、外部応力が加えられたときに容易に変形しない剛性領域である。 The high strength of carbon fiber can be attributed to the six main processes mentioned above. The high level of crystalline regions allows the fiber to withstand large stresses. These crystalline regions are formed by the melt spinning process, and the crystals are rigid regions that do not easily deform when external stress is applied.
アスファルテンは、樹脂、芳香族炭化水素、及び飽和物と共に、ビチューメン若しくは原油、又は石炭などの炭素質材料に見られる分子物質である。アスファルテンは、脂肪族鎖及びヘテロ原子によって囲まれた芳香族多環式構造を含む複雑な分子構造を有し、これらは通常、軽質n-アルカン(n-ペンタン、nC5又はn-ヘプタン、nC7のような)に不溶性であるが、トルエンのような芳香族溶媒に可溶性である。それらの分子量は、通常、400u~1500uの範囲で見出されるが、平均値及び最大値は、溶液中の分子の凝集のために決定することが困難である。アスファルテンは、主に炭素、水素、窒素、酸素及び硫黄、並びに微量のバナジウム、ニッケル及び鉄からなる。C:H比は、アスファルテン源に応じて約1:1.2である。 Asphaltenes are molecular substances found in carbonaceous materials such as bitumen or crude oil, or coal, along with resins, aromatic hydrocarbons, and saturates. Asphaltenes have complex molecular structures containing aromatic polycyclic structures surrounded by aliphatic chains and heteroatoms, and they are usually insoluble in light n-alkanes (such as n-pentane, nC5 or n-heptane, nC7 ), but soluble in aromatic solvents such as toluene. Their molecular weights are usually found in the range of 400u to 1500u, but the average and maximum values are difficult to determine due to the aggregation of the molecules in solution. Asphaltenes consist mainly of carbon, hydrogen, nitrogen, oxygen, and sulfur, with traces of vanadium, nickel, and iron. The C:H ratio is about 1:1.2, depending on the asphaltene source.
アスファルテンは、炭素繊維のピッチ系前駆体の主成分である。例えば、アスファルテンは、炭素繊維のための高品位ピッチ前駆体の商品名であるAshland 260石油ピッチ全体の80重量%超を構成する。 Asphaltenes are the major component of pitch-based precursors for carbon fiber. For example, asphaltenes make up more than 80% by weight of the total Ashland 260 petroleum pitch, a trade name for a high-grade pitch precursor for carbon fiber.
純粋なアスファルテンは、ガラス様固体であり、周囲温度で粉末に容易に粉砕することができる。純粋な固体アスファルテンから炭素繊維を製造する試みはなされていない。重油の品質向上から得られたアスファルテンから炭素繊維を製造することが知られており、約60%~約70%のアスファルテンを含む室温の液相アスファルテン流を紡糸口金を通して導入して、炭素系フィラメントを得る。固体アスファルテンが利用可能である場合、紡糸口金を通してアスファルテン含有液相を導入して炭素系フィラメントを得る前に、固相アスファルテン流を溶媒に溶解してアスファルテン溶液を得るステップが必要である。後者の場合、固相アスファルテン流は、溶媒に溶解する前に、固相アスファルテン流の総重量を重量で100%とした場合に、約60%~約90%のアスファルテンを含む。 Pure asphaltene is a glass-like solid and can be easily ground into powder at ambient temperature. No attempt has been made to produce carbon fibers from pure solid asphaltene. It is known to produce carbon fibers from asphaltene obtained from heavy oil upgrading, where a liquid phase asphaltene stream at room temperature containing about 60% to about 70% asphaltene is introduced through a spinneret to obtain carbon-based filaments. If solid asphaltene is available, a step of dissolving the solid phase asphaltene stream in a solvent to obtain an asphaltene solution is necessary before introducing the asphaltene-containing liquid phase through a spinneret to obtain carbon-based filaments. In the latter case, the solid phase asphaltene stream contains about 60% to about 90% asphaltene, where the total weight of the solid phase asphaltene stream is taken as 100% by weight, before dissolving in the solvent.
電界紡糸を使用して、アスファルテンから中実及び中空の両方のマイクロメートルサイズの繊維を製造することも知られている。しかしながら、高い機械的特性を達成するためのさらなる加工は実施されていない。このような処理は、炭素繊維が複合材料を製造するために必要な機械的特性に達するための必須のステップである。さらに、電界紡糸後の繊維は、短く、曲げられ、中空で分岐して見える。これらの欠陥は、構造用途のための炭素繊維の基本的な要件を満たしていない。 It is also known to use electrospinning to produce both solid and hollow micrometer-sized fibers from asphaltenes. However, no further processing to achieve high mechanical properties has been carried out. Such processing is an essential step for carbon fibers to reach the mechanical properties required to produce composite materials. Moreover, the fibers after electrospinning appear short, bent, hollow and branched. These defects do not meet the basic requirements of carbon fibers for structural applications.
この背景情報は、本発明に関連する可能性があると出願人が考える既知の情報を作る目的で提供される。先の情報のいずれかが本発明に対する先行技術を構成すると認めることを必ずしも意図しておらず、解釈すべきでもない。 This background information is provided for the purpose of making known information believed by the applicant to be of possible relevance to the present invention. No admission is necessarily intended, nor should it be construed, that any of the preceding information constitutes prior art against the present invention.
本発明は、固体アスファルテンの溶融紡糸によって炭素系繊維を製造する方法に関し、固体アスファルテンは、好ましくは供給原料ビチューメン又は原油の溶媒脱瀝によって排除されたアスファルテンであり得る。供給原料は、熱分解又は非熱分解されてもよい。溶融紡糸された炭素系繊維は、その後、望ましい機械的特性を達成するために処理される。
本発明の一態様を以下に示すが、本発明はそれに限定されない。
[発明1]
炭素繊維を製造する方法であって、
(a)アスファルテン固体を密閉容器内で溶融するステップ、
(b)溶融アスファルテンを紡糸して生繊維を製造するステップ、
(c)液体環境又は気体環境で前記生繊維を安定化させるステップ、及び
(d)前記安定化された生繊維を炭化させるステップ
を含む方法。
[発明2]
前記生繊維が空気中又は蒸気中で安定化される、発明1に記載の方法。
[発明3]
前記アスファルテン固体が、ステップ(a)において約150℃~約550℃で、窒素、水素、若しくは蒸気、又はそれらの混合物などの環境で溶融される、発明1又は2に記載の方法。
[発明4]
ステップ(a)が約6時間まで延長する、発明1~3のいずれか一に記載の方法。
[発明5]
ステップ(a)が0.5時間~2時間に延長する、発明4に記載の方法。
[発明6]
ステップ(a)において、前記密閉容器が、加熱中に0~約1000kPaのレベルに加圧される、発明1~5のいずれか一に記載の方法。
[発明7]
前記紡糸ステップが、溶融アスファルテンを紡糸口金を通して引っ張って前記生繊維を製造することと、前記生繊維を回転スプール上に巻き付けることとを含む、発明1~6のいずれか一に記載の方法。
[発明8]
紡糸時のアスファルテンの温度が、約150℃~約350℃に制御される、発明7に記載の方法。
[発明9]
紡糸時の密閉容器の圧力が、約100kPa~約1000kPa、優先的には約200kPa~約700kPaに制御される、発明7又は8に記載の方法。
[発明10]
回転スプールの速度が、毎分50~1000メートル、優先的には毎分100~300メートルの繊維引っ張り速度を達成するように制御される、発明7、8又は9に記載の方法。
[発明11]
紡糸口金の直径が、約50~約300μm、優先的には約100~約200μmの範囲のサイズに選択される、発明7~10のいずれか一に記載の方法。
[発明12]
生繊維の直径が、約1~約15μm、優先的には約7~約10μmの範囲のサイズに製造される、発明1~11のいずれか一に記載の方法。
[発明13]
前記生繊維が、前記生繊維をコーティングし、隣接する生繊維間の凝集を防止する水溶液に浸漬させることによって安定化される、発明1~12のいずれか一に記載の方法。
[発明14]
前記水溶液が、塩酸、硝酸、硫酸、フィチン酸、硝酸カリウム、塩化カリウム、それらの誘導体、及び/又はそれらの混合物を含む、発明13に記載の方法。
[発明15]
前記水溶液が濃縮又は希釈され得、希釈が濃縮溶液の1重量%~100重量%の範囲であり得る、発明13又は14に記載の方法。
[発明16]
前記浸漬時間が1秒~100分、優先的には5秒~50分である、発明13、14又は15に記載の方法。
[発明17]
前記安定化ステップが、空気又は蒸気環境において100℃~400℃の温度での少なくとも1段階の熱処理を含む、発明1~16のいずれか一に記載の方法。
[発明18]
前記安定化ステップが、2~5段階、優先的には2~3段階などの、少なくとも2段階の温度ステップを含む、発明17に記載の方法。
[発明19]
各温度段階が0.5時間~24時間続く、発明17又は18に記載の方法。
[発明20]
前記炭化ステップが、窒素ガスなどの不活性環境において約400℃~約1600℃の温度での少なくとも1段階の熱処理を含む、発明1~19のいずれか一に記載の方法。
[発明21]
前記少なくとも1段階の熱処理が、少なくとも低温段階及び高温段階を含む、発明20に記載の方法。
[発明22]
低温段階が、約0.5~約3時間の期間にわたって約400℃~約600℃で実施される、発明20又は21に記載の方法。
[発明23]
約0.5~約10時間、優先的には約1~約3時間の期間にわたって約700℃~約900℃の温度で実施される中間温度段階をさらに含む、発明21又は22に記載の方法。
[発明24]
前記高温段階が、0.5~10時間の期間にわたって約1300℃~約1600℃の温度で実施される、発明21~23のいずれか一に記載の方法。
[発明25]
前記熱処理段階が、低温も高温段階もなしで、中間温度段階を含む、発明20に記載の方法。
[発明26]
前記熱処理段階が、低温も中間温度段階もなしで、高温段階を含む、発明20に記載の方法。
[発明27]
最終処理後の炭素繊維の直径が、約5~約10μmの範囲に制御される、発明1~26のいずれか一に記載の方法。
[発明28]
固体アスファルテンが、溶融紡糸の前に、硫黄、酸素、金属種、特定の分子種又は基の含有量を低減又は変化させるように加工される、発明1~27のいずれか一に記載の方法。
[発明29]
固体アスファルテンを他の化学物質と共に添加するか又は熱処理して、溶融紡糸の温度を変更する、アスファルテンの化学的性質を変更する、メソフェーズの含有量を増加させる、及び/又は溶融アスファルテンの粘度を変更することができる、発明1~28のいずれか一に記載の方法。
[発明30]
前記炭化された繊維を黒鉛化させるさらなるステップを含む、発明1~29のいずれか一に記載の方法。
[発明31]
発明1~29のいずれか一に記載の方法から得られる炭素繊維。
The present invention relates to a method for producing carbon-based fibers by melt spinning of solid asphaltenes, which may preferably be asphaltenes eliminated by solvent deasphalting of feedstock bitumen or crude oil. The feedstock may be pyrolytic or non-pyrolytic. The melt-spun carbon-based fibers are then treated to achieve desired mechanical properties.
One embodiment of the present invention will be described below, but the present invention is not limited thereto.
[Invention 1]
1. A method for producing carbon fibers, comprising the steps of:
(a) melting asphaltene solids in a closed vessel;
(b) spinning the molten asphaltene to produce green fibers;
(c) stabilizing the green fiber in a liquid or gas environment; and
(d) carbonizing the stabilized green fiber
The method includes:
[Invention 2]
2. The method of claim 1, wherein the green fibers are stabilized in air or steam.
[Invention 3]
3. The method of claim 1 or 2, wherein the asphaltene solids are melted in step (a) at about 150° C. to about 550° C. in an environment such as nitrogen, hydrogen, or steam, or a mixture thereof.
[Invention 4]
4. The method according to any one of claims 1 to 3, wherein step (a) extends to about 6 hours.
[Invention 5]
The method according to claim 4, wherein step (a) extends from 0.5 hours to 2 hours.
[Invention 6]
6. The method according to any one of claims 1 to 5, wherein in step (a), the sealed container is pressurized to a level of from 0 to about 1000 kPa during heating.
[Invention 7]
7. The method of any one of claims 1 to 6, wherein the spinning step comprises pulling the molten asphaltene through a spinneret to produce the green fiber, and winding the green fiber onto a rotating spool.
[Invention 8]
The method according to claim 7, wherein the temperature of the asphaltene during spinning is controlled to about 150°C to about 350°C.
[Invention 9]
9. The method according to claim 7 or 8, wherein the pressure in the closed vessel during spinning is controlled to about 100 kPa to about 1000 kPa, preferentially about 200 kPa to about 700 kPa.
[Invention 10]
10. The method according to claim 7, 8 or 9, wherein the speed of the rotating spool is controlled to achieve a fibre pulling speed of between 50 and 1000 metres per minute, preferentially between 100 and 300 metres per minute.
[Invention 11]
11. The method according to any one of claims 7 to 10, wherein the diameter of the spinneret is selected to a size ranging from about 50 to about 300 μm, preferentially from about 100 to about 200 μm.
[Invention 12]
12. The method according to any one of claims 1 to 11, wherein the green fibres are produced with a diameter in the size range of about 1 to about 15 μm, preferentially about 7 to about 10 μm.
[Invention 13]
13. The method according to any one of claims 1 to 12, wherein the green fibres are stabilized by immersion in an aqueous solution which coats the green fibres and prevents clumping between adjacent green fibres.
[Invention 14]
14. The method of claim 13, wherein the aqueous solution comprises hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid, phytic acid, potassium nitrate, potassium chloride, derivatives thereof, and/or mixtures thereof.
[Invention 15]
15. The method of claim 13 or 14, wherein the aqueous solution may be concentrated or diluted, the dilution may range from 1% to 100% by weight of the concentrated solution.
[Invention 16]
16. The method according to claim 13, 14 or 15, wherein the immersion time is between 1 second and 100 minutes, preferentially between 5 seconds and 50 minutes.
[Invention 17]
17. The method according to any one of the preceding claims, wherein said stabilization step comprises at least one heat treatment step at a temperature between 100°C and 400°C in an air or steam environment.
[Invention 18]
18. The method according to claim 17, wherein said stabilization step comprises at least two temperature steps, such as 2 to 5 steps, preferentially 2 to 3 steps.
[Invention 19]
19. The method according to claim 17 or 18, wherein each temperature step lasts from 0.5 h to 24 h.
[Invention 20]
20. The method according to any one of claims 1 to 19, wherein the carbonization step comprises at least one heat treatment step at a temperature of about 400°C to about 1600°C in an inert environment such as nitrogen gas.
[Invention 21]
21. The method of claim 20, wherein the at least one stage heat treatment comprises at least a low temperature stage and a high temperature stage.
[Invention 22]
22. The method of claim 20 or 21, wherein the low temperature stage is carried out at about 400° C. to about 600° C. for a period of about 0.5 to about 3 hours.
[Invention 23]
23. The method according to claim 21 or 22, further comprising an intermediate temperature stage carried out at a temperature of about 700° C. to about 900° C. for a period of about 0.5 to about 10 hours, preferentially about 1 to about 3 hours.
[Invention 24]
24. The method of any one of claims 21 to 23, wherein the high temperature stage is carried out at a temperature of about 1300°C to about 1600°C for a period of 0.5 to 10 hours.
[Invention 25]
21. The method of claim 20, wherein the heat treatment step includes an intermediate temperature step without a low or high temperature step.
[Invention 26]
21. The method of claim 20, wherein the heat treatment step comprises a high temperature step without a low temperature or intermediate temperature step.
[Invention 27]
27. The method according to any one of claims 1 to 26, wherein the diameter of the carbon fibers after final treatment is controlled in the range of about 5 to about 10 μm.
[Invention 28]
28. The method of any one of claims 1 to 27, wherein the solid asphaltenes are processed to reduce or change the content of sulfur, oxygen, metal species, specific molecular species or groups prior to melt spinning.
[Invention 29]
29. The method according to any one of claims 1 to 28, wherein the solid asphaltene can be added or heat treated with other chemicals to change the temperature of melt spinning, to change the chemical nature of the asphaltene, to increase the mesophase content, and/or to change the viscosity of the molten asphaltene.
[Invention 30]
30. The method according to any one of claims 1 to 29, comprising the further step of graphitizing the carbonized fibers.
[Invention 31]
30. A carbon fiber obtainable by the method according to any one of claims 1 to 29.
一態様では、本発明は、炭素繊維を製造する方法であって、
(a)密閉容器内で加熱し、不活性ガスを使用して容器を加圧することによってアスファルテン固体を溶融するステップ、
b)溶融アスファルテンを紡糸口金に導入して、生繊維を得るステップ、
c)続く熱処理中に起こり得る繊維融合を回避するために、上記生繊維を液体又は気体で安定化させて上記生繊維を表面前処理するステップ、及び
d)上記表面処理された生繊維を熱処理するステップ
を含む方法を含む。
いくつかの実施形態では、紡糸口金の引っ張り速度及び直径を制御することによって、生繊維を所望の繊維直径で製造することができる。
In one aspect, the present invention provides a method for producing carbon fibers, comprising the steps of:
(a) melting the asphaltene solids in a closed vessel by heating and pressurizing the vessel using an inert gas;
b) introducing the molten asphaltenes into a spinneret to obtain green fibers;
c) surface pre-treating the green fiber by stabilizing it with a liquid or gas to avoid possible fiber fusion during subsequent heat treatment; and d) heat treating the surface treated green fiber.
In some embodiments, green fibers can be produced with desired fiber diameters by controlling the spinneret pull speed and diameter.
本発明の実施形態は、概して、アスファルテンを含有する液体流を生成し、液体流を紡糸口金に導入して炭素系繊維を得ることを必要とせずに、アスファルテン固体から炭素繊維を直接製造する方法に関する。特に、アスファルテンを溶解するための溶媒は必要とされない。 Embodiments of the present invention generally relate to a method for producing carbon fibers directly from asphaltene solids without the need to generate a liquid stream containing asphaltene and introduce the liquid stream into a spinneret to obtain carbon-based fibers. In particular, no solvent is required to dissolve the asphaltene.
上記で簡単に説明した本発明のさらなる詳細な説明を、本発明の特定の実施形態の以下の図面を参照して続ける。図面は、本発明の典型的な実施形態のみを示しており、したがって、その範囲を限定するものと見なされるべきではない。図面は必ずしも縮尺通りではなく、場合によっては、特定の特徴をより明確に示すために比率が誇張されていることがある。 A more detailed description of the invention, briefly described above, continues with reference to the following drawings of specific embodiments of the invention. The drawings depict only typical embodiments of the invention and therefore should not be considered as limiting its scope. The drawings are not necessarily to scale and in some cases proportions may be exaggerated to more clearly show certain features.
本発明の説明は、例示及び説明の目的で提示されているが、網羅的であること、又は開示された形態の本発明に限定されることを意図するものではない。本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、多くの修正及び変形が当業者には明らかであろう。実施形態は、本発明の原理及び実際の用途を最もよく説明し、当業者が企図される特定の用途に適した様々な修正を伴う様々な実施形態について本発明を理解することを可能にするために選択され説明された。以下の説明が本発明の特定の実施形態又は特定の使用に関するものである限り、それは例示のみを意図しており、特許請求される発明を限定するものではない。 The description of the present invention has been presented for purposes of illustration and description, but is not intended to be exhaustive or to be limited to the invention in the form disclosed. Many modifications and variations will be apparent to those skilled in the art without departing from the scope and spirit of the invention. The embodiments have been selected and described to best explain the principles and practical applications of the invention and to enable those skilled in the art to understand the invention in its various embodiments with various modifications suited to the particular applications contemplated. To the extent that the following description is directed to a particular embodiment or a particular use of the invention, it is intended to be illustrative only and not limiting of the claimed invention.
本明細書で使用される場合、「炭素繊維」は、0.1mm未満の糸又はフィラメント直径を有する少なくとも50%(質量)の元素状炭素を含む任意の糸又はフィラメント材料を指し、これは破壊に対するより高い力又は応力のいずれかを達成するように制御することができる。「繊維(fiber)」という用語は、「繊維(fibre)」と互換的に綴られ得る。 As used herein, "carbon fiber" refers to any yarn or filament material containing at least 50% (by mass) elemental carbon with a yarn or filament diameter of less than 0.1 mm, which can be controlled to achieve either higher force or stress to break. The term "fiber" may be spelled interchangeably with "fiber."
炭素繊維を製造するためのアスファルテン固体は、ビチューメン又は原油にn-アルカン(n-ペンタン、nC5又はn-ヘプタン、nC7のような)などの溶媒を添加することによって得られる固体沈殿物を指すものとする。この工程は、当業者によって一般に溶媒脱瀝として知られており、周知であり、さらに説明する必要はない。この脱瀝工程は、ビチューメン及び原油に直接適用することができ、又はいくつかの熱変換工程若しくはクラッキングの後に適用することができ、選択された溶媒に不溶性のアスファルテン固体をもたらす。アスファルテンは、上記の特性及び組成を有し、当業者に周知でもある。 Asphaltene solids for the production of carbon fibers shall refer to solid precipitates obtained by adding a solvent such as n-alkanes (like n-pentane, nC5 or n-heptane, nC7 ) to bitumen or crude oil. This process is commonly known as solvent deasphalting by those skilled in the art, is well known and does not require further explanation. This deasphalting process can be applied directly to bitumen and crude oil or after some thermal conversion step or cracking, resulting in asphaltene solids that are insoluble in the selected solvent. Asphaltenes have the above mentioned properties and composition and are also well known to those skilled in the art.
本発明は、炭素前駆体として固体アスファルテンを使用して炭素繊維を製造する方法に関する。表1は、異なる供給源からのアスファルテン固体の典型的な組成を提供する。本明細書に開示される方法の実施形態は、アスファルテンが固相である限り、任意の供給源からのアスファルテンに適用することができる。好ましくは、アスファルテンは、融点が約100℃より高いか、又はサイズが約1μmより大きい固体粒子を実質的に含有しない。いくつかの好ましい実施形態では、比較的少ない硫黄、酸素、任意の金属種、及び微細な非溶融粒子を含有するアスファルテン前駆体が、改善された機械的特性を有する炭素繊維を製造するために好ましい場合がある。
本明細書に開示される方法によって製造された炭素繊維は、高い強度を達成することができる。炭素繊維の強度は、炭素繊維の直径に非常に敏感である。本明細書に開示される方法によって製造される炭素繊維の直径は、従来技術の市販の炭素繊維の直径よりも大きいものであることができ、従来技術の市販の炭素繊維の直径は、通常は10μm未満、大部分は5~7μmの範囲である。対照的に、本明細書で製造される炭素繊維の直径は、10~16μmの範囲であり得る。これらの繊維は、炭素前駆体として純粋な固体アスファルテンを使用して製造された炭素繊維の機械的特性に対する熱処理の効果を実証するために試験することができる。 Carbon fibers produced by the methods disclosed herein can achieve high strength. The strength of carbon fibers is very sensitive to the diameter of the carbon fiber. The diameter of carbon fibers produced by the methods disclosed herein can be larger than that of commercially available carbon fibers of the prior art, which are typically less than 10 μm, with most in the range of 5-7 μm. In contrast, the diameter of carbon fibers produced herein can range from 10-16 μm. These fibers can be tested to demonstrate the effect of heat treatment on the mechanical properties of carbon fibers produced using pure solid asphaltene as the carbon precursor.
いくつかの実施形態では、固体アスファルテンを密閉チャンバに添加し、次いで不活性雰囲気中で加圧下で溶融させる。例えば、一実施形態では、アスファルテンは、約190℃で溶融され、窒素ガスを使用して約0~約1000kPa、好ましくは約200~約600kPa、より好ましくは約400kPaに加圧されてもよい。適切な大きさの紡糸口金をチャンバの底部に配置すればよく、例えば直径150μmの紡糸口金を用いてもよい。アスファルテンフィラメントを紡糸口金から引き出し、直径20cmのスプールなどの回転スプールに巻き付けることができる。スプールの回転速度は調整可能であることが好ましい。アスファルテンフィラメント又は生繊維の直径は、図1に示すように、スプールの回転速度に反比例する。 In some embodiments, solid asphaltene is added to a closed chamber and then melted under pressure in an inert atmosphere. For example, in one embodiment, the asphaltene may be melted at about 190° C. and pressurized to about 0 to about 1000 kPa, preferably about 200 to about 600 kPa, more preferably about 400 kPa using nitrogen gas. A spinneret of appropriate size may be placed at the bottom of the chamber, for example a 150 μm diameter spinneret may be used. The asphaltene filaments may be drawn from the spinneret and wound onto a rotating spool, such as a 20 cm diameter spool. The rotational speed of the spool is preferably adjustable. The diameter of the asphaltene filaments or green fibers is inversely proportional to the rotational speed of the spool, as shown in FIG. 1.
溶融紡糸のための適切な温度及び圧力は、炭素繊維に紡糸する前に、アスファルテンを溶融チャンバ内に保持する温度及び時間によって変更することができる。一実施形態では、バルクアスファルテンは、溶融紡糸前に密閉チャンバ内に窒素中で約260℃で1時間保持されてもよい。このような長時間の熱処理により、アスファルテンが軟化し始める温度点は、図2から分かるように、約175℃から約245℃に上昇する。 The appropriate temperature and pressure for melt spinning can be modified by the temperature and time the asphaltenes are held in the melt chamber before being spun into carbon fibers. In one embodiment, the bulk asphaltenes may be held in a closed chamber in nitrogen at about 260°C for 1 hour before melt spinning. Such extended heat treatment increases the temperature point at which the asphaltenes begin to soften from about 175°C to about 245°C, as can be seen in Figure 2.
一実施形態では、バルクアスファルテンを、0時間の対照と共に、溶融紡糸前に、それぞれ1、2及び3時間、350℃で保持した。得られたアスファルテン繊維を、それぞれ空気中350℃で2時間、窒素中800℃で2時間実施した同じ溶融紡糸後ステップ(安定化処理及び炭化処理)に供した。すべての処理後の炭素繊維の引張強度は、バルクアスファルテンの処理を350℃で溶融紡糸前に1時間維持した場合に最も高いことが分かる。 In one embodiment, the bulk asphaltene was held at 350°C for 1, 2 and 3 hours, respectively, prior to melt spinning, along with a 0 hour control. The resulting asphaltene fibers were subjected to the same post-melt spinning steps (stabilization and carbonization), which were carried out at 350°C in air for 2 hours and at 800°C in nitrogen for 2 hours, respectively. It is seen that the tensile strength of the carbon fibers after all treatments is highest when the bulk asphaltene treatment is maintained at 350°C for 1 hour prior to melt spinning.
図12は、溶融紡糸して生繊維にする前に、窒素環境で350℃までの異なる温度で2時間前処理した同じアスファルテン供給原料の溶融紡糸温度を示す。この処理は、生繊維を製造するための溶融紡糸の温度を上昇させた。この研究で使用された供給原料は、図2に示す研究で使用された供給原料とは異なることに留意されたい。 Figure 12 shows the melt spinning temperature of the same asphaltene feedstock pretreated in a nitrogen environment for 2 hours at different temperatures up to 350°C before melt spinning into green fiber. This treatment increased the melt spinning temperature to produce green fiber. Note that the feedstock used in this study is different from the feedstock used in the study shown in Figure 2.
溶融紡糸された生繊維は、炭化及び/又は黒鉛化の前に、例えば液体又は気体で生繊維を表面処理することによって安定化されなければならない。アスファルテンを溶融紡糸して生繊維とする温度よりも高い温度で安定化処理を実施した場合、周囲温度から安定化温度まで加熱している間に、物理的に互いに接触している生繊維の融合が起こることがある。 The melt-spun green fibers must be stabilized, for example by surface treating the green fibers with a liquid or gas, prior to carbonization and/or graphitization. If the stabilization is carried out at a temperature higher than the temperature at which the asphaltenes are melt-spun into green fibers, fusion of green fibers that are in physical contact with each other may occur during heating from ambient temperature to the stabilization temperature.
いくつかの実施形態では、溶融紡糸された生繊維は、隣接する繊維間の融合を防止するために生繊維表面をコーティングする又は生繊維表面と相互作用する液体に浸漬されてもよい。適切な液体には、希若しくは濃鉱酸、例えば塩酸、硝酸、若しくは硫酸;有機酸、例えばフィチン酸;又は無機塩の溶液、例えばカリウム塩、例えば硝酸カリウム、塩化カリウム;又は前述のいずれかの誘導体;及び/又はそれらの混合物が含まれる。好ましい一実施形態では、溶融紡糸の温度より高い温度まで加熱している間に、物理的に接触した生繊維が融合するのを防止するために、生繊維を硝酸溶液(17%)に10分間浸漬させることができる。硝酸溶液に浸漬させると、生繊維の表面に化学種が付着し、生繊維が隣接する繊維と融合するのを防止することができる。硝酸に浸漬させた生繊維を水ですすいだ場合、コーティングされた化学種は除去され、溶融紡糸に使用される温度より高い温度まで加熱している間に、物理的に付着した生繊維の融合が再び起こり得る。 In some embodiments, the melt spun green fibers may be immersed in a liquid that coats or interacts with the green fiber surface to prevent fusion between adjacent fibers. Suitable liquids include dilute or concentrated mineral acids, such as hydrochloric acid, nitric acid, or sulfuric acid; organic acids, such as phytic acid; or solutions of inorganic salts, such as potassium salts, such as potassium nitrate, potassium chloride; or derivatives of any of the foregoing; and/or mixtures thereof. In one preferred embodiment, the green fibers may be immersed in a nitric acid solution (17%) for 10 minutes to prevent fusion of physically contacted green fibers during heating to temperatures above those used for melt spinning. Immersion in the nitric acid solution may attach chemical species to the surface of the green fibers, preventing the green fibers from fusing with adjacent fibers. If the nitric acid immersed green fibers are rinsed with water, the coated chemical species are removed and fusion of physically attached green fibers may occur again during heating to temperatures above those used for melt spinning.
いくつかの実施形態では、生繊維は、空気中で段階的な温度体系で安定化又はさらに安定化されてもよい。一実施形態では、生繊維を最初に17%硝酸に10秒間浸漬させ、空気中で最大24時間、好ましくは少なくとも約16時間までの様々な時間、150℃で安定化させ、続いて350℃で2時間の第2の安定化処理を行ってもよい。次いで、安定化された繊維を800℃で2時間炭化させる。150℃での様々な処理時間についての例示的な結果を図5に示す。 In some embodiments, the green fibers may be stabilized or further stabilized in a graded temperature regime in air. In one embodiment, the green fibers may be first immersed in 17% nitric acid for 10 seconds and stabilized in air at 150°C for various times up to 24 hours, preferably at least about 16 hours, followed by a second stabilization treatment at 350°C for 2 hours. The stabilized fibers are then carbonized at 800°C for 2 hours. Exemplary results for various treatment times at 150°C are shown in Figure 5.
安定化された生繊維は、例えば、約400℃~約1600℃の範囲の温度で、好ましくは不活性又は窒素環境で炭化されてもよい。炭化ステップは、1段階で行ってもよいし、複数段階で行ってもよい。例えば、400℃~600℃の範囲の温度の初期低温段階、600℃~約1200℃(好ましくは800℃~1000℃)の範囲の中間温度段階、及び約1200℃~約1600℃(好ましくは約1500℃)の範囲の最終高温段階を有する3段階の炭化処理が適切であり得る。各段階は、数分から数時間続けてもよく、例えば、各段階は、約1時間から約2時間続けてもよい。 The stabilized green fibers may be carbonized, for example, at a temperature in the range of about 400°C to about 1600°C, preferably in an inert or nitrogen environment. The carbonization step may be performed in one stage or in multiple stages. For example, a three-stage carbonization process may be appropriate, having an initial low-temperature stage at a temperature in the range of 400°C to 600°C, an intermediate temperature stage in the range of 600°C to about 1200°C (preferably 800°C to 1000°C), and a final high-temperature stage in the range of about 1200°C to about 1600°C (preferably about 1500°C). Each stage may last from a few minutes to a few hours, for example, each stage may last from about 1 hour to about 2 hours.
その結果が図7に示されているいくつかの実施形態では、生繊維は、引張試験前に低温段階及び中間温度段階で炭化された。1段階目の炭化は、400℃~600℃の範囲の異なる温度で2時間実施され、2段階目の炭化は、800℃で2時間実施された。1段階目の炭化が500℃で2時間実施された場合、最良の引張強度が達成された。その結果が図8に示されている他の実施形態では、500℃で2時間の低温炭化が実施された後、800℃~1000℃の範囲の温度で2時間の中間温度炭化が実施された。900℃で2時間の中間炭化が実施された場合に最も低い引張強度が観察され、800℃で中間炭化が行われた場合に最も高い引張強度が観察された。 In some embodiments, the results of which are shown in FIG. 7, the raw fibers were carbonized in low and intermediate temperature stages before tensile testing. The first carbonization stage was performed at different temperatures ranging from 400°C to 600°C for 2 hours, and the second carbonization stage was performed at 800°C for 2 hours. The best tensile strength was achieved when the first carbonization stage was performed at 500°C for 2 hours. In other embodiments, the results of which are shown in FIG. 8, a low temperature carbonization stage was performed at 500°C for 2 hours, followed by an intermediate temperature carbonization stage at temperatures ranging from 800°C to 1000°C for 2 hours. The lowest tensile strength was observed when the intermediate carbonization stage was performed at 900°C for 2 hours, and the highest tensile strength was observed when the intermediate carbonization stage was performed at 800°C.
その結果が図9及び図10に示されているいくつかの実施形態では、高温炭化は、事前の中間温度段階の有無にかかわらず、2時間~8時間の範囲の様々な時間にわたって1500℃で実施された。最良の引張強度は、事前の中間温度段階なしで、1500℃での炭化が2時間続いた場合に達成された。1500℃での炭化処理時間を2時間より長くすると、引張強度が低下した。1500℃の高温処理に先立って800℃の中間温度の炭化処理が実施された場合、高温炭化が単独で実施された場合に得られた引張強度に比べて、引張強度は低下した。 In some embodiments, the results of which are shown in Figures 9 and 10, high temperature carbonization was performed at 1500°C for various times ranging from 2 hours to 8 hours, with or without a prior intermediate temperature step. The best tensile strength was achieved when the carbonization at 1500°C lasted for 2 hours without a prior intermediate temperature step. The tensile strength decreased when the carbonization time at 1500°C was increased beyond 2 hours. When an intermediate temperature carbonization at 800°C was performed prior to the high temperature treatment at 1500°C, the tensile strength decreased compared to the tensile strength obtained when high temperature carbonization was performed alone.
アスファルテン由来の炭素繊維が900℃付近で炭化された場合に観察される強度の低下は、繊維内に金属含有化合物の凝集体が形成されたためと考えられる。図11に見られるように、800℃で8時間の中間温度炭化処理が実施された後、破壊処理された炭素繊維は、表2に示す化学組成を有する金属含有相のいくつかの凝集体を示す。
表2は、図11に示す中央の凝集体の化学組成のリストである。
Table 2 lists the chemical composition of the central aggregate shown in FIG.
生繊維の処理は、炭素繊維の化学的性質の変化を引き起こす可能性がある。一実施形態では、炭素、窒素、水素、及び硫黄の組成を様々な処理後に分析し、結果を表3に示した。一般に、炭素繊維中の炭素含有量は処理温度及び処理時間の増加と共に増加し、窒素、水素、及び硫黄含有量は処理温度及び処理時間の増加と共に減少した。 Treatment of raw fibers can cause changes in the chemical properties of the carbon fibers. In one embodiment, the carbon, nitrogen, hydrogen, and sulfur compositions were analyzed after various treatments, and the results are shown in Table 3. In general, the carbon content in the carbon fibers increased with increasing treatment temperature and treatment time, while the nitrogen, hydrogen, and sulfur contents decreased with increasing treatment temperature and treatment time.
表3は、異なる温度で異なる時間の様々な段階の処理後のアスファルテン及びアスファルテン由来の炭素繊維の化学組成のリストである。
任意で、製造された炭素繊維は黒鉛化されていてもよい。黒鉛化は、主繊維軸に沿った結晶領域の整列及び配向を改善するために、高温で繊維を処理する工程である。結晶領域を主繊維軸に沿って整列、積層、及び配向させることにより、炭素繊維の全体的な強度及び剛性が増加する。より高い弾性率及びより高い炭素含有量を有する炭素繊維を得るために、黒鉛化は約3000℃までのより高い温度で実施される。 Optionally, the carbon fibers produced may be graphitized. Graphitization is a process in which the fibers are treated at high temperatures to improve the alignment and orientation of the crystalline regions along the primary fiber axis. By aligning, stacking, and orienting the crystalline regions along the primary fiber axis, the overall strength and stiffness of the carbon fibers is increased. To obtain carbon fibers with a higher modulus and higher carbon content, graphitization is carried out at higher temperatures, up to about 3000°C.
上記の説明を考慮して、本発明の特定のより詳細に記載された態様を以下に提示する。しかしながら、これらの詳細に列挙された態様は、本明細書に記載された異なる又はより一般的な教示を含む任意の異なる特許請求の範囲に対していかなる限定的な効果も有すると解釈されるべきではなく、又は「特定の」態様は、その中で文字通り使用される言語の固有の意味以外の何らかの方法で何らかの形で限定されると解釈されるべきではない。 In view of the above discussion, certain more detailed embodiments of the present invention are presented below. However, these detailed recited embodiments should not be construed as having any limiting effect on any different claims that incorporate different or more general teachings set forth herein, nor should the "specific" embodiments be construed as being limited in any way other than in the inherent meaning of the language literally used therein.
態様1:炭素繊維を製造する方法であって、
(a)アスファルテン固体を密閉容器内で溶融するステップ、
(b)溶融アスファルテンを紡糸して生繊維を製造するステップ、
(c)液体環境又は気体環境で上記生繊維を安定化させるステップ、
(d)上記安定化された生繊維を炭化させるステップ、及び
(e)任意で、炭化された繊維を黒鉛化させるステップ
を含む方法。
Aspect 1: A method for producing carbon fibers, comprising:
(a) melting asphaltene solids in a closed vessel;
(b) spinning the molten asphaltene to produce green fibers;
(c) stabilizing the green fiber in a liquid or gas environment;
(d) carbonizing the stabilized green fibers; and (e) optionally, graphitizing the carbonized fibers.
態様2:上記生繊維が空気中又は蒸気中で安定化される、請求項1に記載の方法。 Aspect 2: The method of claim 1, wherein the green fiber is stabilized in air or steam.
態様3:上記アスファルテン固体が、ステップ(a)において約150℃~約550℃で、窒素、水素、若しくは蒸気、又はそれらの混合物などの環境で溶融される、態様1又は2に記載の方法。 Aspect 3: The method of aspect 1 or 2, wherein the asphaltene solids are melted in step (a) at about 150°C to about 550°C in an environment such as nitrogen, hydrogen, or steam, or a mixture thereof.
態様4:ステップ(a)が約6時間まで延長する、態様1~3のいずれか1つに記載の方法。 Aspect 4: The method of any one of aspects 1 to 3, wherein step (a) is extended to about 6 hours.
態様5:ステップ(a)が0.5時間~2時間に延長する、態様4に記載の方法。 Aspect 5: The method of aspect 4, wherein step (a) is extended to 0.5 hours to 2 hours.
態様6:ステップ(a)において、上記密閉容器が、加熱中に0~約1000kPaのレベルに加圧される、態様1~5のいずれか1つに記載の方法。 Aspect 6: The method of any one of aspects 1 to 5, wherein in step (a), the sealed container is pressurized to a level of 0 to about 1000 kPa during heating.
態様7:上記紡糸ステップが、溶融アスファルテンを紡糸口金を通して引っ張って上記生繊維を製造することと、上記生繊維を回転スプール上に巻き付けることとを含む、態様1~6のいずれか1つに記載の方法。 Aspect 7: The method of any one of aspects 1 to 6, wherein the spinning step includes pulling the molten asphaltene through a spinneret to produce the green fiber, and winding the green fiber onto a rotating spool.
態様8:紡糸時のアスファルテンの温度が、約150℃~約350℃に制御される、態様7に記載の方法。 Aspect 8: The method of aspect 7, wherein the temperature of the asphaltene during spinning is controlled to about 150°C to about 350°C.
態様9:紡糸時の密閉容器の圧力が、約100kPa~約1000kPa、優先的には約200kPa~約700kPaに制御される、態様7又は8に記載の方法。 Aspect 9: The method according to aspect 7 or 8, in which the pressure in the sealed vessel during spinning is controlled to about 100 kPa to about 1000 kPa, preferentially about 200 kPa to about 700 kPa.
態様10:回転スプールの速度が、毎分50~1000メートル、優先的には毎分100~300メートルの繊維引っ張り速度を達成するように制御される、態様7、8又は9に記載の方法。 Aspect 10: The method of aspect 7, 8 or 9, wherein the speed of the rotating spool is controlled to achieve a fiber pull speed of 50 to 1000 meters per minute, preferentially 100 to 300 meters per minute.
態様11:紡糸口金の直径が、約50~約300μm、優先的には約100~約200μmの範囲のサイズに選択される、態様7~10のいずれか1つに記載の方法。 Aspect 11: The method according to any one of aspects 7 to 10, wherein the diameter of the spinneret is selected to a size in the range of about 50 to about 300 μm, preferentially about 100 to about 200 μm.
態様12:生繊維の直径が、約1~約15μm、優先的には約7~約10μmの範囲のサイズに製造される、態様1~11のいずれか1つに記載の方法。 Aspect 12: The method of any one of aspects 1 to 11, wherein the raw fibers are produced to a size in the range of about 1 to about 15 μm in diameter, preferentially about 7 to about 10 μm.
態様13:上記生繊維が、上記生繊維をコーティングし、隣接する生繊維間の凝集を防止する水溶液に浸漬させることによって安定化される、態様1~12のいずれか1つに記載の方法。 Aspect 13: The method of any one of aspects 1 to 12, wherein the green fibers are stabilized by immersion in an aqueous solution that coats the green fibers and prevents aggregation between adjacent green fibers.
態様14:上記水溶液が、塩酸、硝酸、硫酸、フィチン酸、硝酸カリウム、塩化カリウム、それらの誘導体、及び/又はそれらの混合物を含む、態様13に記載の方法。 Aspect 14: The method of aspect 13, wherein the aqueous solution comprises hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid, phytic acid, potassium nitrate, potassium chloride, derivatives thereof, and/or mixtures thereof.
態様15:上記水溶液が濃縮又は希釈され得、希釈が濃縮溶液の1重量%~100重量%の範囲であり得る、態様13又は14に記載の方法。 Aspect 15: The method of aspect 13 or 14, wherein the aqueous solution may be concentrated or diluted, and the dilution may range from 1% to 100% by weight of the concentrated solution.
態様16:上記浸漬時間が1秒~100分、優先的には5秒~50分である、態様13、14又は15に記載の方法。 Aspect 16: The method according to aspect 13, 14 or 15, wherein the immersion time is from 1 second to 100 minutes, preferentially from 5 seconds to 50 minutes.
態様17:上記安定化ステップが、空気又は蒸気環境において100℃~400℃の温度での少なくとも1段階の熱処理を含む、態様1~16のいずれか1つに記載の方法。 Aspect 17: The method of any one of aspects 1 to 16, wherein the stabilization step includes at least one heat treatment step at a temperature between 100°C and 400°C in an air or steam environment.
態様18:上記安定化ステップが、2~5段階、優先的には2~3段階などの少なくとも2段階の温度ステップを含む、態様17に記載の方法。 Aspect 18: The method according to aspect 17, wherein the stabilization step includes at least two temperature steps, such as 2 to 5 steps, preferentially 2 to 3 steps.
態様19:各温度段階が約0.5時間~約24時間続く、態様17又は18に記載の方法。 Aspect 19: The method of aspect 17 or 18, wherein each temperature step lasts from about 0.5 hours to about 24 hours.
態様20:上記炭化ステップが、窒素ガスなどの不活性環境において約400℃~約1600℃の温度での少なくとも1段階の熱処理を含む、態様1~19のいずれか1つに記載の方法。 Aspect 20: The method according to any one of aspects 1 to 19, wherein the carbonization step includes at least one heat treatment step at a temperature of about 400°C to about 1600°C in an inert environment, such as nitrogen gas.
態様21:上記少なくとも1段階の熱処理が、少なくとも低温段階及び高温段階を含む、態様20に記載の方法。 Aspect 21: The method of aspect 20, wherein the at least one heat treatment step includes at least a low-temperature step and a high-temperature step.
態様22:低温段階が、約0.5~約3時間の期間にわたって約400℃~約600℃で実施される、態様20又は21に記載の方法。 Aspect 22: The method of aspect 20 or 21, wherein the low temperature stage is carried out at about 400°C to about 600°C for a period of about 0.5 to about 3 hours.
態様23:約0.5~約10時間、優先的には約1~約3時間の期間にわたって約700℃~約900℃の温度で実施される中間温度段階をさらに含む、態様21又は22に記載の方法。 Aspect 23: The method of aspect 21 or 22, further comprising an intermediate temperature stage carried out at a temperature of about 700°C to about 900°C for a period of about 0.5 to about 10 hours, preferentially about 1 to about 3 hours.
態様24:上記高温段階が、0.5~10時間の期間にわたって約1300℃~約1600℃の温度で実施される、態様21~23のいずれか1つに記載の方法。 Aspect 24: The method of any one of aspects 21 to 23, wherein the high temperature stage is carried out at a temperature of about 1300°C to about 1600°C for a period of 0.5 to 10 hours.
態様25:上記熱処理段階が、低温も高温段階もなしで、中間温度段階を含む、態様20に記載の方法。 Aspect 25: The method of aspect 20, wherein the heat treatment step includes an intermediate temperature step without a low or high temperature step.
態様26:上記熱処理段階が、低温も中間温度段階もなしで、高温段階を含む、態様20に記載の方法。 Aspect 26: The method of aspect 20, wherein the heat treatment step includes a high temperature step without a low temperature or intermediate temperature step.
態様27:最終処理後の炭素繊維の直径が、約5~約10μmの範囲に制御される、態様1~26のいずれか1つに記載の方法。 Aspect 27: The method according to any one of aspects 1 to 26, wherein the diameter of the carbon fibers after final processing is controlled to a range of about 5 to about 10 μm.
態様28:固体アスファルテンが、溶融紡糸の前に、硫黄、酸素、金属種、特定の分子種又は基の含有量を低減又は変化させるように加工される、態様1~27のいずれか1つに記載の方法。 Aspect 28: The method of any one of aspects 1 to 27, wherein the solid asphaltenes are processed to reduce or change the content of sulfur, oxygen, metal species, specific molecular species or groups prior to melt spinning.
態様29:固体アスファルテンを他の化学物質と共に添加するか又は熱処理して、溶融紡糸の温度を変更する、アスファルテンの化学的性質を変更する、メソフェーズの含有量を増加させる、及び/又は溶融アスファルテンの粘度を変更することができる、態様1~28のいずれか1つに記載の方法。 Aspect 29: The method of any one of aspects 1 to 28, wherein the solid asphaltene can be added or heat treated with other chemicals to change the melt spinning temperature, change the chemistry of the asphaltene, increase the mesophase content, and/or change the viscosity of the molten asphaltene.
態様30:本明細書に記載の任意のステップ、特徴又は要素によって修正又は追加された、態様1~29のいずれか1つに記載の方法。 Aspect 30: The method of any one of aspects 1 to 29, modified or supplemented by any step, feature or element described herein.
態様31:態様1~30のいずれか1つに記載の方法から得られる炭素繊維。 Aspect 31: Carbon fibers obtained by the method according to any one of aspects 1 to 30.
定義及び解釈
本明細書における「一実施形態」、「実施形態」などへの言及は、記載された実施形態が特定の態様、特徴、構造、又は特性を含み得るが、すべての実施形態がその態様、特徴、構造、又は特性を必ずしも含むとは限らないことを示す。さらに、そのような語句は、必ずしもそうとは限らないが、本明細書の他の部分で参照される同じ実施形態を指すことができる。さらに、特定の態様、特徴、構造、又は特性が実施形態に関連して記載されている場合、そのような態様、特徴、構造、又は特性を他の実施形態と組み合わせる、影響を及ぼす、又は接続することは、そのような接続又は組み合わせが明示的に記載されているか否かにかかわらず、当業者の知識の範囲内である。言い換えれば、任意の要素又は特徴は、2つの間に明白な又は固有の不適合性がない限り、又は特に除外されない限り、異なる実施形態において任意の他の要素又は特徴と組み合わせることができる。
DEFINITIONS AND INTERPRETATION References herein to "one embodiment,""anembodiment," and the like indicate that the described embodiment may include a particular aspect, feature, structure, or characteristic, but not all embodiments necessarily include that aspect, feature, structure, or characteristic. Moreover, such phrases may, but do not necessarily, refer to the same embodiment referenced elsewhere in this specification. Furthermore, when a particular aspect, feature, structure, or characteristic is described in connection with an embodiment, it is within the knowledge of one of ordinary skill in the art to combine, affect, or connect such aspect, feature, structure, or characteristic with other embodiments, whether or not such connection or combination is explicitly described. In other words, any element or feature can be combined with any other element or feature in different embodiments, unless there is an obvious or inherent incompatibility between the two, or unless specifically excluded.
特許請求の範囲は、任意の要素を除外するように起草され得ることにさらに留意されたい。したがって、この陳述は、特許請求の範囲の要素の列挙又は「負の」限定の使用に関連して、「単独で」、「のみ」などの排他的な用語を使用するための先行詞としての役割を果たすことを意図している。「好ましくは(preferably)」、「好ましい(preferred)」、「好ましい(prefer)」、「任意で(optionally)」、「してもよい(may)」という用語及び同様の用語は、言及されている項目、条件又はステップが本発明の任意の(必須ではない)特徴であることを示すために使用される。 It is further noted that the claims may be drafted to exclude any optional element. Accordingly, this statement is intended to serve as a predicate for the use of exclusive terms such as "solely" and "only" in connection with the recitation of claim elements or the use of a "negative" limitation. The terms "preferably," "preferred," "preferable," "optionally," "may," and similar terms are used to indicate that the referred item, condition, or step is an optional (but not required) feature of the invention.
単数形「a」、「an」、及び「the」は、文脈からそうでないことが明確に示されていない限り、複数形への言及を含む。「及び/又は」という用語は、この用語が関連する項目のいずれか1つ、項目の任意の組み合わせ、又は項目のすべてを意味する。 The singular forms "a," "an," and "the" include plural references unless the context clearly indicates otherwise. The term "and/or" means any one of the items, any combination of the items, or all of the items with which this term is associated.
当業者によって理解されるように、ありとあらゆる目的のために、特に書面による説明を提供することに関して、本明細書に列挙されたすべての範囲はまた、任意の及びすべての可能な部分範囲及びその部分範囲の組み合わせ、並びに範囲を構成する個々の値、特に整数値を包含する。列挙された範囲(例えば、重量パーセント又は炭素基)は、その範囲内の各特定の値、整数、小数、又は同一性を含む。列挙された範囲はいずれも、同じ範囲を少なくとも等しい半分、3分の1、4分の1、5分の1、又は10分の1に分割することを十分に説明し、可能にするものとして容易に認識することができる。非限定的な例として、本明細書で説明する各範囲は、下3分の1、中央3分の1、及び上3分の1などに容易に分割することができる。 As will be understood by those skilled in the art, for any and all purposes, particularly with respect to providing a written description, all ranges recited herein also encompass any and all possible subranges and combinations of subranges thereof, as well as the individual values, particularly integer values, that make up the range. A recited range (e.g., weight percent or carbon group) includes each specific value, integer, decimal, or identity within the range. Any recited range can be readily recognized as fully descriptive and allowing for division of the same range into at least equal halves, thirds, quarters, fifths, or tenths. As a non-limiting example, each range described herein can be readily divided into a lower third, a middle third, an upper third, and so forth.
また、当業者によって理解されるように、「最大」、「少なくとも」、「より大きい」、「未満」、「より多い」、「以上」などのすべての言語は、列挙された数を含み、そのような用語は、上述のように後で部分範囲に分割することができる範囲を指す。同様に、本明細書に列挙されたすべての比は、より広い比の範囲内にあるすべての部分比も含む。
参考文献
以下の文献およびその中で言及されているあらゆる刊行物は、当業者の技術レベルを示すものであり、許可されている場合には、参照することにより本明細書に完全に組み込まれるものとする。
Also, as will be understood by one of ordinary skill in the art, all language such as "up to,""atleast,""greaterthan,""lessthan,""morethan,""greater than or equal to," and the like, are inclusive of the recited numbers and such terms refer to ranges that can be subsequently divided into subranges as described above. Similarly, all ratios recited herein also include all subratios that fall within the broader ratio range.
References
The following documents and any publications mentioned therein are indicative of the level of skill of those skilled in the art, and are hereby incorporated by reference in their entirety, where permitted:
Claims (23)
(a)溶媒脱瀝工程から得られるアスファルテン固体を密閉容器内で溶融するステップ、
(b)溶融アスファルテンを紡糸して生繊維を製造するステップ、
(c)液体環境又は気体環境で前記生繊維を安定化させるステップ、及び
(d)前記安定化された生繊維を炭化させるステップ
を含む方法。 1. A method for producing carbon fibers, comprising the steps of:
(a) melting in a closed vessel the asphaltene solids obtained from the solvent deasphalting process;
(b) spinning the molten asphaltene to produce green fibers;
(c) stabilizing the green fiber in a liquid or gas environment; and (d) carbonizing the stabilized green fiber.
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